单频激光偏振干涉仪在线调试装置及方法

摘要

本发明提供的是单频激光偏振干涉仪在线调试装置及方法。装置包括稳频激光器、光隔离器、偏振态旋转机构，待测单频激光偏振干涉仪，光学透射反射机构、光功率计、多路正交干涉信号探测器、干涉信号采集与分析系统、气浮隔振光学平台。该装置的特征是集高偏振度激光的发生、旋转、测量，以及干涉仪输出的正交干涉信号的特性分析于一体，通过对偏振光学元件的在线性能测试和干涉仪输出光强与干涉信号的幅值、相位畸变的评价，完成集成一体化干涉仪的安装与调试，将单频激光偏振干涉仪光路的固有非线性误差减小到nm量级以下，提高干涉仪的测量精度。本发明结构简单、操作简便，稳定可靠，成本低廉，可实时完成单频偏振激光干涉仪的性能在线评价。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种单频激光偏振干涉仪的安装与调试装置，具体涉及到减小光路固有非线性误差的激光干涉仪的一体化制作过程中的装置和调试装置。

背景技术

纳米测量作为纳米科技的基础，涉及到微电子、材料科学等领域。激光干涉测量技术具有非接触性测量、测量精度高、测量速度快等优点，在纳米测量领域被广泛应用。纳米测量技术的发展，要求激光干涉仪系统对环境具有较强的适应能力，具有高稳定性和低漂移。偏振干涉仪具有共光路、倍光程的特点，使环境影响大大降低，同时提高了系统测量分辨力，但偏振激光干涉仪也存在偏振光学元件多，光路复杂；安装相对位置要求精度高，易受振动影响；偏振器件的性能与位置参数对温度具有依赖性，使干涉仪易受温度影响等不足，使其实用化过程中面临诸多困难。依靠光学机械固定方式搭建的分立式干涉仪结构，各光学元件的固定多依赖于机械装置保持相对位置不动，位置调节方法复杂，易受环境干扰。如果能够实现干涉仪中的各个光学元件相对永久固定，并去除元件机械固定与保持装置，使各个光学元件在物理上结为一体，则干涉仪的稳定性和可靠性将会大为提高，特别是抗振性能和温度稳定性能，同时借助于小尺寸光学元件的选择，可以进一步减小干涉仪的尺度，实现偏振激光干涉仪的小型化。光学系统集成有效的减小了由于线性漂移引起的干涉仪测量值的误差，提高了干涉仪的测量精度和抗干扰的能力。

在干涉仪小型化和集成化过程中，由于受到非线性误差的困扰，极大地降低了干涉仪的测量分辨率和精度。从理论上分析干涉仪的非线性误差主要是由干涉仪所采用光学元件的位置及其性能非理想性导致的。用于补偿干涉仪非线性误差的方法有很多，主要可分为主动补偿和被动补偿方法两种。由Heydemann(A laser measurement system for the high precision calibration of displacement transducers.Measurement Science and Technology，1996，7(6)：911-917.)提出的主动补偿方法，虽可以很好的减小非线性误差，但不能实时处理大量数据。

2006年安捷伦科技有限公司的戴维·C·楚等人公开了一种用于干涉仪非线性补偿的系统和方法(CN1873368)，从测量信号中生成的干涉仪位置数据进行非线性补偿的方法，包括基于接收到的数字位置值来生成第一组非线性参数；2010年中国计量科学研究院高思田等人公开了一种激光干涉仪非线性误差修正方法、装置及应用其的干涉仪(CN101839686A)，利用谐波分离修正法对所述干涉仪非线性误差进行修正，使单频激光干涉仪的非线性误差修正达到最优化。上述方法均属于干涉仪输出信号的数据再处理方法，没有从根本上降低干涉仪光路固有的非线性误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减小单频激光偏振干涉仪光路的固有非线性误差，提高干涉仪的测量精度的单频激光偏振干涉仪在线调试装置。本发明的目的还在于提供一种单频激光偏振干涉仪在线调试方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的单频激光偏振干涉仪在线调试装置由置于气浮隔振平台9上的稳频激光器1、光隔离器2、偏振态旋转机构3，待测单频激光偏振干涉仪4、光学透射反射机构51、52、光功率计61、62、多路正交干涉信号探测器71～74、干涉信号采集与分析系统8、气浮隔振光学平台9组成；由稳频激光器1发出偏振光光隔离器2后变成一束高偏振稳定度的信号光，经偏振态旋转机构3后，进入待测激光干涉仪4；信号光被干涉仪4分成两束41、43，两束光41、43分别经过垂直于光束传输方向的光学透射反射机构51、52后，透射光42、44分别进入其后的光功率计61、62，反射光沿原路返回干涉仪4，从干涉仪4各端口Port3～Port6输出的干涉信号光45～47分别被多路正交干涉信号探测器71～74接收后，形成正交干涉信号，被送入干涉信号采集与分析系统8对干涉信号的直、交流幅值和干涉相位进行分析，给出干涉仪的测量性能与光路非线性误差参数。

(1)所述的稳频激光器1的波长根据待测干涉仪要求进行选择，如采用波长为632.8nm的He-Ne激光，频率稳定度大于10-7，光强波动小于0.5％，光斑直径小于1mm，具有高度调节和水平垂直角度偏摆调节功能；

(2)所述的光隔离器2包含起偏棱镜201、203和Faraday旋转器202，它具有单向传输特性，对输入光源进行起偏，并防止光束返回光源，如图2所示；

(3)所述的偏振态旋转机构3可以实现对入射光偏振态0～360°的旋转；

(4)所述的光学透射反射机构51、52包含一个位置可调的透反射镜501安放在一个可以发生微小位移和振动信号的振动台502上；透反射镜可以将垂直于镜面的入射光分成两束，一束透射，一束反射，透射光和反射光的功率比值b为1％≤b≤50％；振动台发生位移的振幅为纳米到微米范围，振动频率为DC～1kHz，如图3所示；

(5)所述的多路正交干涉信号探测器71～74由四个探测波长范围与稳频激光相匹配的光电探测器组成，可以对干涉信号的交直流幅值和干涉相位进行采集和测量，信噪比大于80dB；

(6)所述的干涉信号采集与分析系统8将光功率计61、62和多路正交干涉信号探测器71～74的采集信号，通过信号通道81送入到系统8，它可以实现对干涉信号直流幅度、交流幅度、对比度、干涉相位、四路干涉信号的非正交相移参数的解算和分析。

所述的待测单频激光偏振干涉仪4由偏振分光棱镜401、405、408、消偏分光棱镜406、1/4波片402、404、407和1/2波片404共8个偏振光学元件集成，位置要求如下：

(1)偏振分光棱镜401的底面在x、z平面内；

(2)1/4波片402位于在y、z平面内，初始固定在偏振分光棱镜401的侧面，快轴的初始位置与y轴顺时针旋转呈45.0°；

(3)1/4波片403位于在x、y平面内，初始固定在偏振分光棱镜401与入射光相对的侧面上，快轴的初始位置与y轴逆时针旋转呈45.0°；

(4)1/2波片404位于y、z平面内，初始固定在偏振分光棱镜401与1/4波片402相对的侧面上，快轴的初始位置与y轴顺时针旋转呈22.5°；

(5)消偏振分光棱镜406底面在x、z平面内，初始固定在1/2波片(404)的侧面上，底面与偏振分光棱镜401共面；

(6)偏振分光棱镜405底面在x、z平面内，初始固定在消偏振分光棱镜406上，底面与偏振分光棱镜401共面；

(7)1/4波片407位于x、y平面内，初始固定在消偏振分光棱镜406，快轴的初始位置与y轴顺时针旋转呈45.0°；

(8)偏振分光棱镜408的底面在x、z平面内，初始固定在1/4波片(407)上，底面与偏振分光棱镜401共面。

本发明的单频激光偏振干涉仪在线调试方法为：待测单频激光偏振干涉仪4安装与调试过程，波片402、403、404、407的快慢轴位置是调整的核心和重点：

(1)1/4波片402主要实现对偏振分光棱镜401的反射光束41偏振态的变换，旋转1/4波片402，微调快轴与y轴的夹角，并使偏振分光棱镜401相对于402安装侧的输出光功率最大，同时使返回光源1的光功率最小；

(2)1/4波片403主要实现对偏振分光棱镜401的透射光束42偏振态的变换，旋转1/4波片403，微调快轴与y轴的夹角，并使偏振分光棱镜401相对于402安装侧的输出光功率最大，同时使返回光源1的光功率最小；

(3)1/2波片404主要实现对干涉仪4的输出端口Port3与Port4的两输出光束45～46或者输出端口Port5与Port6的两输出光束47～48功率比的调节，旋转1/2波片404微调快轴与y轴的夹角，使Port3和Port4(或者Port5和Port6)的光强比为1∶1；

(4)1/4波片407主要实现对干涉仪4的输出端口Port3与Port5(或者Port4与Port6)输出光束45、47(或者46、48)干涉信号正交性的调节；在两个光学透射反射机构51上加载振动信号，对多路正交干涉信号探测器71～74输出的干涉信号进行分析，得到正交信号的李萨如图形，要求非线性相移小于1°。

所述的偏振干涉仪4的一体化集成安装，采用光胶粘合层409的工艺固定偏振分光棱镜401、405、408、消偏振分光棱镜406、1/4波片402、403、407和1/2波片404的相对位置。

本发明集高偏振度激光的发生、旋转、测量，以及干涉仪输出的正交干涉信号的特性分析于一体。用于干涉仪一体化集成过程中光学元器件、激光干涉仪的性能测试与评价。通过对偏振光学元件的在线性能测试和干涉仪输出光强与干涉信号的幅值、相位畸变的评价，完成集成一体化干涉仪的安装与调试，大大减小单频激光偏振干涉仪光路的固有非线性误差，提高干涉仪的测量精度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)单频激光偏振干涉仪在线调试装置包含：(1)由稳频激光器1、光隔离器2、偏振态旋转机构3组成的偏振光发生与调节装置，由光学透射反射机构51、52和光功率计61、62组成的光强探测装置，以及由多路正交干涉信号探测器71～74组成的光干涉信号探测装置，它集偏振光的发生、偏振光的检测、以及干涉仪干涉特性测量于一体，构成了一个完备的光学元器件性能检测和干涉仪性能评估系统，能够满足绝大对数单频激光干涉仪，特别是采用多路正交信号输出的偏振干涉仪的性能检测与评估要求；

(2)在线调试装置对激光干涉仪的测量与评估是在线的，具有实时性，干涉仪元器件固定与安装过程中，即可评价干涉仪的性能，同时按照干涉仪输出的非线性误差参数幅值，修订光学元件的位置调节量，大大减小了干涉仪固有非线性误差的幅值，将其数值降低到nm以下，借助于软件的非线性误差修正，可以使其测量分辨率低于0.1nm；

(3)在线调试装置充分考虑到了偏振激光干涉仪的光学特性，同时简化了干涉仪的元件安装与调节过程，通过优化的调节步骤，使各元器件的调节与固定相互独立，不发生串扰，极大地提高了干涉仪一体化集成的效率。

(4)在线调试装置以偏振光强替代光学元件偏振态的检测与分析，以干涉仪的对比度和非线性误差最为干涉仪性能的评价指标，极大的简化了评估与测量过程，通过线调试装置获得的一体化集成干涉仪其温度和振动稳定性大大优于传统的分立干涉仪，可以满足纳米测量对激光干涉仪的迫切需求。

附图说明

图1是单频激光偏振干涉仪在线调试装置；

图2是光隔离器的结构示意图；

图3是光学透射反射机构的结构示意图；

图4是待调试的单频激光偏振激光干涉仪结构示意图；

图5是单频激光偏振激光干涉仪的安装与调试流程示意图；

图6是干涉仪输出正交信号的李萨如图形及非正交相位测量结果图；

图7干涉仪位移测量及其非线性误差标定结果。

具体实施方式

待调试单频激光偏振干涉仪由偏振分光棱镜401、405、408和1/4波片402、404、407和1/2波片404共8个偏振光学元件组成，其光路结构如图4所示。其安装要求如下：

其具体安装与调试过程如图5所示分为粗调和细调两个步骤，具体方法如下：

(1)稳频激光器1输出光束与气浮隔振平台的底面，即干涉仪安装与集成的基准面平行；

(2)偏振分光棱镜401的底面与基准面平行，激光束垂直于棱镜401的入射面并穿过其中心位置，旋转偏振态旋转机构3使Port1和Port2口光强之比为1∶1，分光比偏差小于5％，其总光强透射率大于95％；

(3)安装1/4波片402和光学透射反射机构51，使光束41沿原路返回，旋转1/4波片402的快轴与y轴的夹角，并使偏振分光棱镜401相对于402安装侧的输出光功率最大；

(4)安装1/4波片403和光学透射反射机构52，使光束42沿原路返回，遮挡光学透射反射机构51，旋转1/4波片403的快轴与y轴的夹角，使偏振分光棱镜401相对于402安装侧的输出光功率最大；

(5)安装1/2波片404、消偏振分光棱镜406和偏振分光棱镜405，旋转1/2波片404的快轴与y轴的夹角，使Port3和Port4的光强比为1∶1；

(7)测量port3～port6端口的光强比，如果不满足1∶1∶1∶1，可通过重复上述调节步骤，至Port3～Port6四个端口的输出光强比满足上述条件。

(8)遮挡光学透射反射机构52，同时除去光学透射反射机构51的遮挡，测量port3～port6端口的光强比，如果不满足1∶1∶1∶1，可通过重复上述调节步骤，至Port3～Port6四个端口的输出光强比为1∶1∶1∶1；

(9)同时撤去两个光学透射反射机构51、52的遮挡，在光学透射反射机构51上加载幅度大于500nm的振动信号，使用多路正交干涉信号探测器71～74，对干涉仪port3～port6端口的干涉信号45～48进行测量。要求干涉信号的0.85，如果不满足上述情况，可通过光学透射反射机构51、52，加大光斑重合度，达到上述要求。

(10)对多路正交干涉信号探测器71～74输出的干涉信号进行分析，得到正交信号的李萨如图形，要求非线性相移小于1°。如果不满足上述要求，可通过反复调节1/4波片407和半波片404，直至满足条件为止。

(11)采用光胶粘合工艺固定偏振分光棱镜401、405、408和1/4波片402、404、407和1/2波片404的相对位置，完成一体化集成干涉仪的安装与调试。

利用单频激光偏振干涉仪在线调试装置系统对干涉仪进行一体化集成后，其位移测量的如图6和图7所示。由图6可知，干涉仪输出的正交偏振信号的幅度基本相等，其非线性相移小于1°实测为0.3°；如图7所示，对0～5微米的位移量进行测量，其非线性误差为±0.3nm，小于1nm。